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鉭電容爆炸、燒毀原因分析

      經常碰到很多客戶討論鉭電容爆炸問題,特別在開關電源、LED電源等行業,鉭電容燒毀或爆炸是令研發技術人員最頭痛的,讓他們百思不得其解。正因為鉭電容失效模式的危險性,讓很多研發技術人員都不敢再使用鉭電容了,其實如果我們能夠全面的了解鉭電容的特性,找到鉭電容失效(表現形式為燒毀或爆炸)的原因,鉭電容并沒有那么可怕。畢竟鉭電容的好處是顯而易見的。鉭電容失效的原因總的來說可以分為鉭電容本身的質量問題和電路設計問題兩大類:

電路設計和產品選型
       要求鉭電容的產品性能參數可以滿足電路信號特點,但是,往往我們不能保證上述兩項工作都做的很到位,因此,在使用過程中就必然會出現這樣那樣的失效問題,現簡單總結如下:

1. 低阻抗電路使用電壓過高導致的失效

     對于鉭電容器使用的電路,只有兩種;有電阻保護的電路和沒有電阻保護的低阻抗電路. 對于有電阻保護的電路,由于電阻會起到降壓和抑制大電流通過的效果,因此,使用電壓可以達到鉭電容器額定電壓的60%.  沒有電阻保護的電路有兩種:

     a.前級輸入已經經過整流和濾波,輸出穩定的充放電電路.在此類電路,電容器被當作放電電源來使用,由于輸入參數穩定沒有浪涌,因此,盡管是低阻抗電路,可安全使用的電壓仍然可以達到額定電壓的50%都可以保證相當高的可靠性.

     b.電子整機的電源部分; 電容器并聯使用在此類電路, 除了要求對輸入的信號進行濾波外,往往同時還兼有按照一定頻率和功率進行放電的要求. 因為是電源電路,因此,此類電路的回路阻抗非常低,以保證電源的輸出功率密度足夠. 在此類開關電源電路中[也叫DC-DC電路], 在每次開機和關機的瞬間,電路中會產生一個持續時間小于1微秒的高強度尖峰脈沖,其脈沖電壓值至少可以達到穩定的輸入值的3倍以上,電流可以達到穩態值的10倍以上,由于持續時間極短,因此,其單位時間內的能量密度非常高,  如果電容器的使用電壓偏高,此時實際加在產品上的脈沖電壓就會遠遠超過產品的額定值而被擊穿.  因此,使用在此類電路中的鉭電解電容器容許的使用電壓不能超過額定值的1/3. 如果不分電路的回路阻抗類型,一概降額50%, 在回路阻抗最低的DC-DC電路,一開機就有可能瞬間出現擊穿短路或爆炸現象.在此類電路中使用的電容器應該降額多少,一定要考慮到電路阻抗值的高低和輸入輸出功率的大小和電路中存在的交流紋波值的高低.因為電路阻抗高低可以決定開關瞬間浪涌幅度的大小。內阻越低的電路降額幅度就應該越多。對于降額幅度大小,切不可一概而論. 必須經過精確的可靠性計算來確定降額幅度.

2.電路峰值輸出電流過大(使用電壓合適)

     鉭電容器在工作時可以安全承受的最大直流電流沖擊I,與產品自身等效串聯電阻ESR及額定電壓UR存在如下數學關系: 

    I=UR/1+ESR   

    如果一只容量偏低的鉭電容器使用在峰值輸出電流很大的電路,這只產品就有可能由于電流過載而燒毀.這非常容易理解.

3. 鉭電容器等效串聯電阻ESR過高和電路中交流紋波過高導致的失效 

     當某只ESR過高的鉭電容器使用在存在過高交流紋波的濾波電路,即使是使用電壓遠低于應該的降額幅度, 有時候,在開機的瞬間仍然會發生突然的擊穿現象; 出現此類問題的主要原因是電容器的ESR和電路中的交流紋波大小嚴重不匹配. 電容器是極性元氣件,在通過交流紋波時會發熱,而不同殼號大小的產品能夠維持熱平衡的容許發熱量不同.由于不同容量的產品的ESR值相差較高,因此,不同規格的鉭電容器能夠安全耐受的交流紋波值也相差很大, 因此,如果某電路中存在的交流紋波超過使用的電容器可以安全承受的交流紋波值,產品就會出現熱致擊穿的現象.同樣,如果電路中的交流紋波一定,而選擇的鉭電容器的實際ESR值過高,產品也會出現相同的現象. 

     一般來說,在濾波和大功率充放電電路,必須使用ESR值盡可能低的鉭電容器.  對于電路中存在的交流紋波過高而導致的電容器失效問題,很多電路設計師都忽略其危害性或認識不夠. 只是簡單認定電容器質量存在問題. 此現象很多.

4 . 鉭電容器漏電流偏大導致實際耐壓不夠 

     此問題的出現一般都由于鉭電容器的實際耐壓不夠造成.當電容器上長時間施加一定場強時,如果其介質層的絕緣電阻偏低,此時產品的實際漏電流將偏大.而漏電流偏大的產品,實際耐壓就會下降.

      出現此問題的另外一個原因是關于鉭電容器的漏電流標準制定的過于寬松,導致有些根本不具備鉭電解電容器生產能力的公司在生產質量低劣的鉭電容器. 普通的室溫時漏電流就偏大的產品,如果工作在較高的溫度下,其漏電流會成指數倍增加,因此其高溫下的實際耐壓就會大幅度下降. 在使用溫度較高時就會非常容易出現擊穿現象. 

      高溫時漏電流變化較小是所有電容器生產商努力的最重要目標之一,因此,此指標對可靠性的決定性影響不言而愈. 如果你選擇使用的鉭電容器的漏電流偏大,實際上它已經是廢品,出問題因此成為必然.

5 .鉭電容器使用時的生產過程因素導致的失效 

     很多用戶往往只注意到鉭電容器性能的選擇和設計,而對于貼片鉭電容安裝使用時容易出現的問題視而不見,舉例如下: 

     A 不使用自動貼裝而使用手工焊接, 產品不加預熱,直接使用溫度高于300度的電烙鐵較長時間加熱電容器,導致電容器性能受到過高溫度沖擊而失效.

     B 手工焊接不使用預熱臺加熱,焊接時一出現冷焊和虛焊就反復使用烙鐵加熱產品.

     C 使用的烙鐵頭溫度甚至達到500度. 這樣可以焊接很快,但非常容易導致片式元氣件失效    

      貼片鉭電容實際使用時的可靠性實際上可以通過計算得出來,而我們的很多用戶使用時設計余量不夠,魯棒性很差,小批實驗通過純屬僥幸,在批生產時出現一致性質量問題. 此時,問題原因往往簡單被推到電容器生產商身上,忽略對設計可靠性的查找. 鉭電容器使用時的無故障間隔時間MTBF對于很多用戶來講還是一個陌生的概念. 很多使用者對可靠性工程認識膚淺.過于重視實驗而忽略數學計算. 導致分電路設計可靠性比整機可靠性低,因此,批量生產時不斷出現問題. 不懂得失效是一個概率問題,非簡單的個體問題.實際上鉭電容器使用時容易出現的故障原因和現象還很多, 無法在此一一論述.如果有使用時的新問題,可以及時交流.

鉭電容質量問題 

     目前來說AVX和KEMET兩個品牌算是一線品牌,占了市場90%以上的份額,其質量也是最好的,當然價格也是最貴的。國內也有幾家生產鉭電容的工廠,但因為生產工藝和原材料質量問題,與AVX和KEMET的質量相差還是非常大的,國產鉭電容的ESR普遍要高一個等級。鉭電容器如果性能不過關,其可靠性不光很低,而且非常容易失效.因此,選擇正確且合適的產品是保證可靠性的首要條件.? 質量差的鉭電容器如果被裝到電路上,與安裝了一個小沒有什么區別. 如果不能保證你選擇的產品質量絕對過硬,我建議你不要使用鉭電容器.特別是在DC-DC電路和大功率充放電電路.

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